La fotosíntesis y la quimiosíntesis
En el Altiplano, el sol del mediodía es intenso y el aire tiene menos $\text{CO}_2$ disponible por la altura. Aun así, la quinua crece y almacena almidón en sus granos. ¿De dónde sale esa materia orgánica si la planta no «come»? Y hay bacterias que viven donde no llega ninguna luz y también fabrican su alimento: ¿cómo lo hacen? En esta página recorrerás el proceso paso a paso.
La fotosíntesis y el cloroplasto
La fotosíntesis es el anabolismo autótrofo de las plantas, las algas y algunas bacterias: con energía de la luz, transforman materia inorgánica (agua y $\text{CO}_2$) en materia orgánica (glucosa). Es lo contrario de la respiración, que degrada la glucosa para obtener ATP.
La fotosíntesis ocurre en los cloroplastos, orgánulos de las células vegetales con dos membranas. Dentro hay sacos aplanados, los tilacoides, apilados en columnas llamadas granos (o grana). El líquido que los rodea es el estroma.
Escribe la ecuación global de la fotosíntesis oxigénica e indica qué molécula se oxida y cuál se reduce en el proceso.
Escribe la ecuación global de la fotosíntesis oxigénica e indica qué molécula se oxida y cuál se reduce en el proceso.
Nombra las dos grandes fases de la fotosíntesis, indica en qué parte del cloroplasto ocurre cada una y qué se produce en cada fase.
Nombra las dos grandes fases de la fotosíntesis, indica en qué parte del cloroplasto ocurre cada una y qué se produce en cada fase.
En el esquema de un cloroplasto se señalan dos estructuras con los números 1 y 2. Identifícalas y explica qué procesos fotosintéticos ocurren en cada una,…
En el esquema de un cloroplasto se señalan dos estructuras con los números 1 y 2. Identifícalas y explica qué procesos fotosintéticos ocurren en cada una, relacionándolos con las flechas de entrada y salida que aparecen en el esquema.
Pigmentos y fotosistemas
Si extraes clorofila pura en un tubo y la iluminas, solo emite un resplandor rojizo y calor. En la membrana viva, en cambio, los pigmentos están organizados para aprovechar esa energía. ¿Cómo?
La clorofila (pigmento principal, en las membranas de los tilacoides) absorbe sobre todo la luz violeta-azul y la roja, y refleja la verde: por eso las hojas se ven verdes. Los carotenoides (anaranjados) actúan como pigmentos accesorios.
Las membranas de los tilacoides son el lugar adecuado porque en ellas están ordenados los fotosistemas, la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa. Además, el interior cerrado del tilacoide permite acumular protones y formar un gradiente.
¿Qué pigmento principal capta la luz en las plantas verdes y en qué estructura de la célula se encuentra? ¿Qué colores (longitudes de onda) de la luz absorbe…
¿Qué pigmento principal capta la luz en las plantas verdes y en qué estructura de la célula se encuentra? ¿Qué colores (longitudes de onda) de la luz absorbe preferentemente y cuál refleja?
¿Qué es un fotosistema y qué contiene en su centro de reacción? Explica qué le ocurre a la clorofila cuando absorbe la energía de la luz.
¿Qué es un fotosistema y qué contiene en su centro de reacción? Explica qué le ocurre a la clorofila cuando absorbe la energía de la luz.
¿Qué son los tilacoides y qué son los granos? Explica por qué las membranas de los tilacoides son el lugar adecuado para la fase luminosa de la fotosíntesis.
¿Qué son los tilacoides y qué son los granos? Explica por qué las membranas de los tilacoides son el lugar adecuado para la fase luminosa de la fotosíntesis.
La fase luminosa
$$2\ \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{luz}} 4\ \text{H}^+ + 4\ e^- + \text{O}_2$$El principio de la fotofosforilación es el mismo que el de la fosforilación oxidativa de la mitocondria (gradiente de protones + ATP sintasa), pero cambian el origen de los electrones (agua en vez de NADH), el aceptor final ($\text{NADP}^+$ en vez de $\text{O}_2$) y la membrana (tilacoide en vez de la mitocondrial interna).
Explica qué es la fotólisis del agua, en qué fase y lugar del cloroplasto ocurre, y cuál es el destino de los electrones, de los protones y del oxígeno que se generan.
Explica qué es la fotólisis del agua, en qué fase y lugar del cloroplasto ocurre, y cuál es el destino de los electrones, de los protones y del oxígeno que se generan.
Describe el recorrido de un electrón desde una molécula de agua hasta el $\text{NADP}^+$ durante la fase luminosa (fotosistemas II y I y cadena de transporte de…
Describe el recorrido de un electrón desde una molécula de agua hasta el $\text{NADP}^+$ durante la fase luminosa (fotosistemas II y I y cadena de transporte de electrones), e indica en qué momento se desprende el $\text{O}_2$ y dónde quedan acumulados los protones.
Un investigador ilumina cloroplastos aislados y añade un herbicida que bloquea el flujo de electrones a la salida del fotosistema II. Predice, razonando tu respuesta,…
Un investigador ilumina cloroplastos aislados y añade un herbicida que bloquea el flujo de electrones a la salida del fotosistema II. Predice, razonando tu respuesta, qué ocurrirá con la producción de $\text{O}_2$, de ATP y de NADPH, y explica por qué la planta tratada con ese herbicida acaba muriendo aunque reciba luz y $\text{CO}_2$.
El ciclo de Calvin
En el estroma, el $\text{CO}_2$ se convierte en azúcar usando el ATP y el NADPH de la fase luminosa. A este proceso se le llama fijar el $\text{CO}_2$: incorporar un carbono inorgánico a una molécula orgánica.
Indica qué dos productos de la fase luminosa utiliza el ciclo de Calvin y para qué los emplea en la síntesis de glúcidos.
Indica qué dos productos de la fase luminosa utiliza el ciclo de Calvin y para qué los emplea en la síntesis de glúcidos.
En el ciclo de Calvin se «fija» el $\text{CO}2$ en el estroma. Explica qué significa fijar el $\text{CO}2$, qué enzima cataliza esa fijación y de dónde proceden el ATP y…
En el ciclo de Calvin se «fija» el $\text{CO}_2$ en el estroma. Explica qué significa fijar el $\text{CO}_2$, qué enzima cataliza esa fijación y de dónde proceden el ATP y el NADPH que consume el ciclo.
El ciclo de Calvin tiene tres fases: fijación del $\text{CO}2$, reducción y regeneración de la ribulosa-1,5-bisfosfato. Descríbelas brevemente e indica cuántas moléculas…
El ciclo de Calvin tiene tres fases: fijación del $\text{CO}_2$, reducción y regeneración de la ribulosa-1,5-bisfosfato. Descríbelas brevemente e indica cuántas moléculas de $\text{CO}_2$ deben fijarse para formar una molécula de glucosa.
Por cada molécula de $\text{O}2$ liberada en la fase luminosa se desprenden $4$ electrones del agua. Sabiendo que formar una molécula de glucosa requiere fijar $6$…
Por cada molécula de $\text{O}_2$ liberada en la fase luminosa se desprenden $4$ electrones del agua. Sabiendo que formar una molécula de glucosa requiere fijar $6$ moléculas de $\text{CO}_2$ y consumir $12$ NADPH, calcula cuántas moléculas de agua deben fotolizarse como mínimo y relaciona ambos cálculos.
Factores que limitan la fotosíntesis
La velocidad de la fotosíntesis depende de la intensidad de la luz, la concentración de $\text{CO}_2$ y la temperatura; también del agua disponible. Obedece a la idea de factor limitante: la velocidad la fija el factor que está más escaso.
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Luz: con poca luz, la fase luminosa produce poco ATP y NADPH; la velocidad sube casi en línea recta con la luz. Si hay mucha, la curva se aplana (saturación): ya no limita la luz, sino otro factor, como el $\text{CO}_2$.
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$\text{CO}_2$: con más $\text{CO}_2$ la RuBisCO tiene más sustrato y la meseta sube.
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Temperatura: las enzimas (RuBisCO) aceleran con el calor hasta un óptimo; después se desnaturalizan y la tasa cae.
Nombra tres factores ambientales que influyan en la velocidad de la fotosíntesis y explica brevemente cómo actúa uno de ellos.
Nombra tres factores ambientales que influyan en la velocidad de la fotosíntesis y explica brevemente cómo actúa uno de ellos.
En los invernaderos se enriquece el aire con $\text{CO}2$ y se suplementa con luz artificial. a) Razona, a partir del concepto de factor limitante, por qué estas medidas…
En los invernaderos se enriquece el aire con $\text{CO}_2$ y se suplementa con luz artificial. a) Razona, a partir del concepto de factor limitante, por qué estas medidas solo aumentan la cosecha hasta cierto punto. b) Indica qué factor podría pasar a ser limitante después de aplicarlas. c) Explica por qué elevar demasiado la temperatura puede reducir la producción aunque haya luz y $\text{CO}_2$ abundantes.
Se mide la tasa fotosintética neta (asimilación de $\text{CO}2$) de una planta a intensidades de luz crecientes bajo dos condiciones ambientales: Condición 1 (aire con…
Se mide la tasa fotosintética neta (asimilación de $\text{CO}_2$) de una planta a intensidades de luz crecientes bajo dos condiciones ambientales: Condición 1 (aire con 0,04 % de $\text{CO}_2$ a 20 °C) y Condición 2 (aire enriquecido con 0,15 % de $\text{CO}_2$ a 20 °C). Los resultados indican que a intensidades bajas (inferiores a 80 $\mu\text{mol}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{s}^{-1}$), ambas curvas son idénticas y crecen linealmente con la misma pendiente; sin embargo, la meseta de saturación se alcanza a un nivel un 60 % más alto en la Condición 2.
- a) Justifica bioquímicamente por qué a bajas intensidades de luz la concentración de $\text{CO}_2$ no influye en la tasa fotosintética e indica qué procesos de la fase fotoquímica limitan la velocidad en ese tramo.
- b) Explica por qué la tasa fotosintética se estabiliza en una meseta a altas intensidades luminosas y deduce qué enzima estromal actúa como cuello de botella en la Condición 1.
- c) Si en la Condición 2 (luz saturante y 0,15 % de $\text{CO}_2$) se eleva la temperatura a 30 °C, la tasa fotosintética aumenta de forma notable; en cambio, esa misma subida térmica no produce ningún aumento a bajas intensidades de luz. Argumenta la diferente sensibilidad a la temperatura de ambas fases de la fotosíntesis.
Importancia del oxígeno y quimiosíntesis
Casi todo el $\text{O}_2$ de la atmósfera viene de la fotólisis del agua. Cuando aparecieron las cianobacterias fotosintéticas, el oxígeno liberado se acumuló en la atmósfera, lo que permitió la respiración aerobia (mucho más rentable en ATP), la formación de la capa de ozono y la diversificación de la vida. Fue un hito en la historia de la Tierra.
Ejemplos: las bacterias nitrificantes del suelo oxidan amonio a nitrito y nitrito a nitrato, y las bacterias del azufre viven en fuentes hidrotermales. En ambos casos el carbono es inorgánico, pero la energía es química, no luminosa.
| Fotosíntesis | Quimiosíntesis | Respiración | |
|---|---|---|---|
| Tipo | Anabolismo autótrofo | Anabolismo autótrofo | Catabolismo |
| Fuente de energía | Luz | Oxidación de compuestos inorgánicos | Degradación de glucosa |
| Fuente de carbono | $\text{CO}_2$ | $\text{CO}_2$ | Materia orgánica |
| Produce | Glucosa y $\text{O}_2$ | Materia orgánica | ATP, $\text{CO}_2$ y $\text{H}_2\text{O}$ |
Casi todo el oxígeno de la atmósfera procede de la fotosíntesis. Explica de qué molécula se libera ese $\text{O}2$ y razona por qué la aparición de la fotosíntesis…
Casi todo el oxígeno de la atmósfera procede de la fotosíntesis. Explica de qué molécula se libera ese $\text{O}_2$ y razona por qué la aparición de la fotosíntesis oxigénica fue un hito en la historia de la Tierra.
Vuelve al principio: la quinua fabrica su almidón con la luz solar, el agua y el $\text{CO}_2$, y las bacterias de las profundidades lo hacen con la energía de reacciones inorgánicas.